[发明专利]一种回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种回转体零件三维表面形貌的测量装置及方法，特别涉及一种回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法。

背景技术

物体三维表面形貌的测量方法主要分为接触式和非接触式。接触式采用机械探针对物体表面进行扫描，该方法成熟，精度较高，但是易损伤物体表面。非接触式方法很多，包括：共焦显微测量法、变焦显微测量法、扫描白光干涉法、激光相移干涉法等。其中干涉法对测量环境要求高、鲁棒性差，共焦显微测量法具有机构复杂、测量速度慢、测量范围小的缺点。本发明的光学测量装置是基于变焦显微测量原理，虽然该方法精度低于其他方法，纵向分辨率能达到10纳米，横向分辨率能达到0.5微米，但是具有测量范围大，速度快，可以测量大倾角物体的优点。中国专利CN103267494B公开了一种表面形貌干涉测量的方法及装置，该专利使用干涉显微测量技术，不具有变焦显微测量技术的优点。中国专利CN105403170A公开了一种显微3D形貌测量方法及装置，该专利可以实现物体三维重构，但该测量装置无法对回转体零件进行全方位，多角度测量。

目前，基于变焦显微测量原理的测量装置大多数只能采集物体水平面以上的图像信息，不能实现对被测物全方位，多角度的测量和360度三维重构，尤其是对回转体零件的测量。本发明五轴光学测量装置操作简单，可以快速，高效，精确的对回转体零件进行360度全方位多角度的图像采集，从而精确重构物体三维模型，以便对被测物进行高精度的快速测量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有对回转体零件三维形貌测量技术的不足，提供一种回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法，可对回转体零件实现360度全方位测量并通过基于变焦显微图像序列的融合技术，三维重构技术以及三维拼接技术在计算机中生成高清晰二维融合图像和高精度三维模型，从而可以提取零件表面参数及精确尺寸，本发明的五轴光学测量装置及方法，操作简单，测量精度高，自动化程度高，测量速度快。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法，其特征在于，包括电荷耦合器件CCD，光学显微镜头，嵌入式环形光源，环形夹持装置，XY运动平台，二自由度的旋转夹持装置，伺服电机，电机驱动器，运动控制卡，电源模块，光电编码器，计算机，GPU图形处理器；所述电荷耦合器件CCD内设于光学显微镜头内，所述光学显微镜头的物镜下方内设有嵌入式环形光源，所述显微镜头由环形夹持装置固定在Z轴平台上并可以随Z轴平台上下移动，所述二自由度旋转夹持装置固定在XY运动平台上，所述电荷耦合器件CCD通过GPU图形处理器与计算机相连接，所述计算机通过运动控制卡与电机驱动器相连接，所述电机驱动器与伺服电机相连接，所述伺服电机与XYZ移动平台以及旋转夹持装置连接。

所述的回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法，其特征在于，所述伺服电机通过滚珠丝杠和齿轮组控制XYZ平台的精密移动和旋转夹持装置的转动，所述环形夹持装置通过螺旋式固定器固定光学显微镜头，所述光电编码器，伺服电机，电机驱动器，运动控制卡，计算机共同组成反馈系统，精确控制位置及角度信息，所述二自由度旋转夹持装置由两个伺服电机分别控制XY方向的旋转模块，所述X方向旋转模块包括轴承，夹持器，卡爪，旋转电机，齿轮组，所述旋转电机设于夹持装置外壳上，通过齿轮组将动力传给夹持器，所述卡爪与夹持器相连接，卡紧回转体零件，所述Y方向旋转模块包括伺服电机，齿轮组，支撑板，所述伺服电机与旋转电机通过电机驱动器与运动控制卡相连接，再由运动控制卡与计算机相连接。

一种回转体零件三维表面形貌的五轴光学测量装置及方法，其特征在于，包含如下使用步骤：

1)回转体零件夹持装置及卡爪固定，光学显微镜头通过环形夹持装置固定，通过计算机控制XY平台将XY平台上固定的二自由度旋转夹持装置移至物镜下方，通过Z轴平台调节物镜高度，通过调节旋转夹持装置XY方向的旋转角度，使得被测物以适当的位置和角度出现在视野中心；

2)通过调节嵌入式环形光源的光照强度，以获得最佳的光照条件；

3)计算机控制Z轴平台沿垂直方向移动，直到被测物接近光学显微镜的景深，Z轴平台停止运动，该位置作为测量的基准位置，采集第一幅图像；从第一幅图像开始，沿Z轴单方向控制Z轴平台运动，每运动一定步距，计算机通过电荷耦合器件CCD拍摄一幅图像，直到被测物远离光学显微镜的景深，停止图像采集，即得到变焦显微图像序列；

4)重复1)到3)即可获得不同视野下的变焦显微图像序列；